KR101668727B1 - Method for treatment of spent radioactive ion exchange resins, and the apparatus thereof - Google Patents

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백민훈
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Abstract

The present invention relates to a method and a device for processing spent ion exchange resin including radionuclide and, more specifically, to a method and a device for processing spent ion exchange resin including radionuclide through a phased heat treating process. The present invention is provided to process the spent ion exchange resin including the radionuclide by using a method for volatilizing the radionuclide without gasifying carbon which is a main component, and separating/collecting the radionuclide through the phased heat treating process, thereby preventing problems of depositing a pollutant in an exhaust gas process caused by volatilizing volatile radionuclide including radioactive Cs or Sr, discharging the same to the air, generating exhaust gas including SO_2 and SO_3 having high concentration (more than thousands of ppm) discharged in a case of separating an ion exchanging device, and generating global warming gas CO_2. The present invention obtains a maximal volume reducing effect by condensing the volatile radionuclide and fixing/treating same.

Description

방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리방법 및 장치 {Method for treatment of spent radioactive ion exchange resins, and the apparatus thereof} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for treating spent ion exchange resins containing radioactive nuclides,

본 발명은 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는, 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 단계적 열처리과정을 통해 처리하는 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and an apparatus for treating waste ion exchange resin containing a radionuclide, and more particularly, to a method for treating a waste ion exchange resin containing a radionuclide through a stepwise heat treatment process and an apparatus for performing the same .

현재 국내에서 운영 중인 경수로형 원자력발전소의 액체 방사성 폐기물 처리의 기본 개념은 폐액 증발기를 이용하여 증발, 농축시킨 후 파라핀을 고화제로 이용하여 고화처리하고 있다. 그러나 방사성 폐액 내에 존재하는 다양한 형태의 이물질은 증발기 내에서 거품, 스케일을 형성하여 증발기의 성능이 저하되고 잦은 유지보수로 인해 운전비용이 증가할 뿐만 아니라 연속운전에 지장을 초래하는 문제점을 지니고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 국외 사례의 경우 유무기 이온교환수지, 정밀 또는 한외여과막, 역삼투막 등을 적용한 폐액 처리방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.The basic concept of liquid radioactive waste disposal in light water reactor type nuclear power plant currently operating in Korea is evaporated and concentrated using a waste liquid evaporator, and then subjected to solidification treatment using paraffin as a solidifying agent. However, various types of foreign substances present in the radioactive waste liquid have a problem that the performance of the evaporator is reduced due to formation of bubbles and scale in the evaporator, the operation cost is increased due to frequent maintenance, and the continuous operation is hindered. In order to solve these problems, researches on a waste solution treatment method using an ion exchange resin, a precise or ultrafiltration membrane, and a reverse osmosis membrane have been actively carried out in overseas cases.

그 중, 방사성 폐액을 처리에 사용되는 이온교환수지는 미세한 3차원 구조의 고분자 기체에 이온교환기를 결합시킨 것으로서 극성, 비극성 용액 중에 녹아있는 이온성 물질을 교환, 정제하여주는 고분자 물질로 구성되어있으며, 상기 이온교환수지가 가지고 있는 가동이온이 용액 중 다른 이온과 서로 치환함으로써, 폐액을 정화하여 주는 역할을 한다. 이러한 이온교환수지는 다양한 수처리 공정에서 분리, 정화 및 제염의 목적으로 널리 사용되어왔으며, 특히, 원자력산업에서는 이온교환수지를 이용하여 원자력발전소의 세정수나 냉각수를 정화하는데 사용되고 있다. 한편, 이러한 이온교환수지는 사용시간이 오래될 경우 폐이온 교환수지로 발생하게 된다. 이렇게 발생된 폐이온 교환수지는, 이온교환수지가 기계적 강도나 화학적 저항성이 우수한 고분자 중합체로 제조되며 그 표면의 기능기(functional group)가 방사성 핵종과 치환되어 이온교환형태로 잔류하고 있기 때문에 수지에 부착된 방사성 핵종을 분리하여 추출하는 것이 매우 어려워 원자력 발전소에서 발생되는 가장 처리가 어려운 가연성 방사성 폐기물 중 하나이다. Among them, the ion exchange resin used for the treatment of the radioactive waste liquid is a polymer material which is made by bonding an ion exchanger to a polymer gas having a fine three-dimensional structure and exchanging and purifying an ionic substance dissolved in a polar and nonpolar solution , And the movable ion contained in the ion exchange resin replaces the other ions in the solution to purify the waste liquid. These ion exchange resins have been widely used for separation, purification and decontamination in various water treatment processes. In particular, in the nuclear industry, ion exchange resins are used to purify clean water and cooling water of nuclear power plants. On the other hand, such an ion exchange resin occurs as a waste ion exchange resin when the use time is long. Since the waste ion exchange resin thus produced is made of a polymer polymer having excellent mechanical strength and chemical resistance and the functional group on the surface thereof is replaced with a radionuclide and remains in an ion exchange form, It is one of the most difficult-to-handle flammable radioactive waste generated in nuclear power plants because it is very difficult to isolate and extract attached radionuclides.

한편, 원자력 발전소에서 정화과정에 사용하여 생긴 폐이온 교환수지는, 방사능 준위가 비교적 낮은 폐수지로는 터빈복수계통의 응축수 정화과정에서 발생되는 CPP(Condensate Polishing Plant) 폐수지와 증기발생기 취출수 계통의 정화시 발생하는 BD(Blowdown) 폐수지가 있으며, 방사능 준위가 약간 높은 폐수지로는 액체폐기물처리계통(Liquid Radwaste System, LRS)에서의 액체폐기물 정화과정에서 발생하는 폐수지가 있다. 통상적으로 호기당 년간 약 5,000∼7,000ℓ 정도의 폐수지가 발생되고 있으며 이렇게 발생되는 폐수지는 방사능 준위에 따라 마대나 탄소강 드럼에 담아 영구처분을 위해 발전소 내에 임시로 보관하고 있다. 통상적으로 원자력발전소에서 발생되는 폐수지는 방사능이 미량이라도 검출될 경우, 전량 안정화시켜서 드럼에 담아 방사성 폐기물 처분장으로 보낸다. 이러한 방사성 폐기물은 자체처분이 가능한 방사능 준위까지 방사능을 낮추지 않으면 일반폐기물로 분류하여 처리하는 것은 불가능하다. 특히, 증기발생기 세관의 누설이 있을 경우, 증기발생기 2차측의 취출수 계통의 정화시에 발생되는 폐수지는 반감기가 긴 방사성탄소(C-14)와, 방사성세슘(Cs-137)및 방사성코발트 (Co-60)와 같은 방사성 핵종으로 오염되며, 이렇게 오염된 폐수지는 장기간 보관하여도 방사능이 완전히 소멸되지 않기 때문에 일반폐기물로 분류하여 처리할 수 없다.On the other hand, waste ion exchange resin used in the purification process at the nuclear power plant has a relatively low level of radioactive waste, and the condensate purification plant of CPP (Condensate Polishing Plant) wastewater and steam generator extraction system There are BD (blowdown) effluent generated during the purification, and the effluent discharged from the liquid waste purification process in the Liquid Radwaste System (LRS) is a slightly higher effluent level. Generally, about 5,000 ~ 7,000 liters of waste water per year is generated per year, and the waste water thus generated is placed in a drum or a carbon steel drum according to the radioactive level and temporarily stored in a power plant for permanent disposal. Normally, when waste water from a nuclear power plant detects even a small amount of radioactivity, the whole amount is stabilized and sent to a radioactive waste repository in a drum. These radioactive wastes can not be classified as general wastes unless the radioactivity is reduced to a radioactive level capable of self-disposal. Particularly, when there is leakage of the steam generator tubule, the waste water generated at the purification of the extraction water system at the secondary side of the steam generator is treated with radioactive carbon (C-14), radioactive cesium (Cs-137) and radioactive cobalt Co-60), and such contaminated wastes can not be classified as general wastes because they are not completely extinguished even after long-term storage.

따라서 이렇게 오염된 폐수지로부터 자체처분이 가능할 정도로 방사성 핵종을 분리 추출하여 제거하는 기술의 개발은 방사성 폐기물의 감용 및 처분비용의 절감 차원에서 매우 중요하다.Therefore, the development of technologies to separate and extract radioactive nuclides to such an extent that self-disposal is possible from such contaminated wastewater is very important to reduce radioactive waste disposal and disposal costs.

이러한 폐이온 교환수지를 처리하기 위한 종래의 처리방법 중, 대한민국 등록특허 제10-2008-0087360호에서는 방사성 폐이온 교환수지가 처리하는 양을 증대하여 처리효율을 높일 수 있는 방법으로, 방사성 폐이온 교환수지 탈수장치를 개시하고 있다. 상세하게는, 방사성 폐이온 교환수지를 수납하고, 저면에는 다공이 형성된 다공용기; 상기 다공용기를 수납하여 상기 다공용기를 보호하는 중간용기; 및 상기 중간용기를 수납하고, 상기 방사성 폐이온 교환수지로부터 나오는 방사선을 차폐하는 차폐용기;를 포함하는 방사성 폐이온 교환수지의 탈수장치를 개시하고 있다. Of the conventional treatment methods for treating such waste ion exchange resins, Korean Patent Registration No. 10-2008-0087360 discloses a method for increasing the treatment amount by increasing the amount of radioactive waste ion exchange resin to be treated, Exchange resin dewatering device. Specifically, a multipurpose container containing a radioactive waste ion-exchange resin and having pores formed in its bottom surface; An intermediate container for receiving the multi-purpose machine to protect the multi-purpose machine; And a shielding container for containing the intermediate container and shielding radiation emitted from the radioactive waste ion exchange resin.

하지만 상기의 발명의 경우, 사용 후 방사성 폐 수지의 부피를 감소화시킬 수 있으나, 공정과정에서 SO2 및 SO3가 포함된 배기가스 및 지구온난화가스인 CO2가 발생하는 문제점을 가지고 있다. However, in the case of the above-mentioned invention, the volume of the radioactive waste resin after use can be reduced, but the exhaust gas containing SO 2 and SO 3 and CO 2, which is a global warming gas, are generated in the process.

한편, 종래의 폐이온 교환수지를 처리하는 또 다른 방법으로, 소각 등의 방법으로 가연성 유기성분을 열분해나 산화하여 가스화하여 처리하고 잔류하는 핵종을 포함하는 무기성분, 즉 회분(소각재)는 유리고화 등의 방법으로 안정화하여 처리할 수 있다. On the other hand, as another method for treating the conventional waste ion exchange resin, an inorganic component including residual nuclides, that is, ash (ash) is pyrolyzed or oxidized by gasification and treatment of a combustible organic component by a method such as incineration, And the like.

상기와 같은 소각 및 유리화하여 처리하는 방법을 사용하여 폐이온 교환수지를 처리한 일례로, 대한민국 등록특허 제10-2002-0031822호에서는 방사성 폐기물을 소각 용융처리하기 위한 장치와 공정을 개시하고 있으며, 상세하게는 가연성 중저준위 방사성폐기물을 소각 용융시켜 유리고화(vitrification)시키는 과정에서 생성되는 배기체의 처리장치 및 공정을 개시하고 있다.Korean Patent No. 10-2002-0031822 discloses an apparatus and a process for incinerating and melting a radioactive waste, for example, a waste ion exchange resin is treated using the method of incineration and vitrification as described above. And more particularly, to an apparatus and a process for treating exhaust gas generated in a process of incinerating and melting vitrifiable low-level radioactive waste by vitrification.

하지만, 상기와 같은 소각 및 유리화하여 처리하는 방법은, 방사성 핵종을 다른 무기물, 즉, 유기성분 내 미량의 회분 성분과 함께 잔류시킴으로써 최대한의 감용 효과를 제공한다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 모든 유기성분을 가스화하여 지구 온난화가스인 CO2를 많은 양 배출할 뿐만 아니라 이 과정에서 아황산가스와 미연소 탄화수소나, 다이옥신, 질소산화물(NOx) 등의 유해성 가스는 물론 고온 휘발성 방사성 핵종인 방사성세슘 (Cs-137, Cs-134)등을 가스화하여 배출한다는 문제점을 가지고 있다. However, the above-mentioned incineration and vitrification treatment method has an advantage of providing the maximum calming effect by leaving the radionuclide with other inorganic substances, that is, a trace amount of ash components in the organic components. However, not only does it exhaust large amounts of CO 2 , which is a global warming gas, but also harmful gases such as sulfur dioxide, unburned hydrocarbons, dioxins and nitrogen oxides (NOx) as well as high-temperature volatile radionuclides (Cs-137, Cs-134), and the like.

즉, 종래와 같은 소각 및 유리화하여 처리하는 방법은, 원자력 관련시설에서 발생되는 상기 폐이온 교환수지는 대부분 유기성분 즉, 가연성 성분으로 구성되어 있어 소각 또는 열분해를 통해 효과적으로 부피를 감량시킬 수 있으나 이러한 공정과정에서 폐이온 교환수지 내에 고정된 방사성 핵종이 배기가스와 함께 배출될 수 있는 문제점이 발생한다. That is, the conventional waste incineration and vitrification process is such that the waste ion exchange resin generated in a nuclear-related facility is mostly composed of an organic component, that is, a combustible component, and can effectively reduce the volume through incineration or pyrolysis. The radioactive nuclei fixed in the waste ion exchange resin in the process may be discharged together with the exhaust gas.

따라서, 폐이온 교환수지 처리 시 발생하는 황산화물과 이산화탄소의 발생문제를 해결하는 동시에 방사성 핵종을 효과적으로 포집하여 감용효과를 주는 폐이온교환수지 처리방법에 대한 개발이 절실히 요구된다. Accordingly, it is urgently required to develop a method for treating spent ion exchange resin, which solves the problem of sulfur oxides and carbon dioxide generated during waste ion exchange resin treatment, and effectively captures radionuclides and provides a sweetening effect.

이에, 본 발명자들은 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 처리하는 방법으로, 단계적 열처리 방법을 통해, 폐이온 교환수지의 주 성분인 탄소를 가스화하지 않으면서 방사성 핵종만을 휘발하여 분리 회수하는 방법을 통해, 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 처리함으로써, 종래의 소각 및 유리화 처리시 나타났던 문제인, 방사성 세슘(Cs) 또는 스트론튬(Sr) 과 같은 휘발성 방사성 핵종이 휘발되어 발생하는 배기가스 공정 내 침적되어 나타나는 오염 또는 대기로 배출되는 문제, 이온교환기 분리시 발생되는 고농도(수천 ppm 이상)의 SO2 및 SO3가 포함된 배기가스의 발생문제 및 지구온난화가스인 CO2가 발생되는 문제를 방지하고, 동시에 방사성 핵종을 휘발시켜 고정화처리를 통해 분리회수함으로써 최대한의 감용 효과를 얻을 수 있는 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors have found that a method of treating a waste ion exchange resin containing a radionuclide, wherein a radioactive nuclide is volatilized and recovered without gasification of carbon, which is a main component of a waste ion exchange resin, through a stepwise heat treatment method (Cs) or volatile radionuclides (Sr) such as strontium (Sr), which is a problem that has arisen in conventional incineration and vitrification treatments, by treating waste ion exchange resins containing radionuclides The problem of the generation of exhaust gas containing SO 2 and SO 3 at a high concentration (several thousand ppm or more) and the generation of CO 2, which is a global warming gas, And at the same time, the radionuclide is volatilized and separated and recovered through the immobilization treatment, thereby obtaining the maximum absorbing effect And the present invention has been completed.

대한민국 등록특허 제10-2008-0087360호Korean Patent No. 10-2008-0087360 대한민국 등록특허 제10-2002-0031822호Korea Patent No. 10-2002-0031822

본 발명의 목적은 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 처리하는 방법 및 이를 수행하는 장치를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for treating a waste ion exchange resin comprising a radionuclide and an apparatus for performing the same.

방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 건조하는 단계(단계 1); Drying the spent ion exchange resin comprising the radionuclide (step 1);

상기 건조된 폐이온 교환수지 내 방사성 핵종을 포함하는 이온교환기를 분리하는 단계(단계 2);Separating the ion exchanger containing radionuclides in the dried waste ion exchange resin (step 2);

상기 분리된 이온교환기로부터 생성되는 휘발성의 방사성 핵종을 포함하는 화합물을 비휘발성의 방사성 핵종을 포함하는 황산화물로 전환하는 단계(단계 3);Converting the compound comprising volatile radionuclides produced from the separated ion exchanger into a sulfur oxides containing a non-volatile radionuclide (step 3);

상기 방사성 핵종을 포함하는 황산화물을 방사성 핵종을 포함하는 염화물로 전환하는 단계(단계 4); 및 Converting the sulfuric acid containing the radionuclide into a chloride containing a radionuclide (step 4); And

상기 방사성 핵종을 포함하는 염화물로부터 방사성 핵종을 휘발 및 응축하여 분리 및 회수하는 단계(단계 5);Separating and recovering the radionuclide from the chloride containing the radionuclide by volatilization and condensation (step 5);

를 포함하는 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리방법을 제공한다.And a radioactive nuclide containing the radioactive nuclide.

또한 본 발명은,Further, according to the present invention,

방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 건조하기 위한 건조기(100); A dryer (100) for drying a waste ion exchange resin comprising a radionuclide;

상기 건조기로부터 배출되는 건조된 폐이온 교환수지를 단계적으로 열처리하기 위한 스크류 컨베이어 반응기(400);및A screw conveyor reactor 400 for stepwise heat-treating the dried waste ion exchange resin discharged from the dryer;

상기 스크류 컨베이어 반응기로부터 배출되는 반응물을 염화물로 변환시키는 무기물 염화반응기(600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리장치를 제공한다.And an inorganic chlorination reactor (600) for converting reactants discharged from the screw conveyor reactor into chlorides. The present invention also provides an apparatus for treating waste ion exchange resin comprising a radionuclide.

본 발명은 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지의 처리방법으로, 상세하게는 단계적 열처리 방법을 통해, 폐이온 교환수지의 주 성분인 탄소를 가스화하지 않으면서 방사성 핵종을 휘발하여 분리 및 회수하는 방법이다. 상기와 같은 단계적 열처리 방법을 통해 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 처리함으로써, 종래의 소각 및 유리화 처리시 나타났던 문제인, 방사성 세슘(Cs) 또는 스트론튬(Sr) 과 같은 휘발성 방사성 핵종이 휘발되어 발생하는 배기가스 공정 내 침적되어 나타나는 오염 또는 대기로 배출되는 문제, 이온교환기 분리시 방생되는 고농도(수천 ppm 이상)의 SO2 및 SO3가 포함된 배기가스의 발생문제 및 지구온난화가스인 CO2가 발생되는 문제를 방지하고, 동시에 방사성 핵종을 휘발시켜 고정화처리를 통해 분리회수함으로써 최대한의 감용 효과를 얻을 수 있다. The present invention relates to a method for treating a waste ion exchange resin containing a radionuclide, and more particularly, to a method for separating and recovering a radionuclide by volatilizing it without gasification of carbon as a main component of a waste ion exchange resin through a stepwise heat treatment method to be. By treating the waste ion exchange resin containing radionuclides through the stepwise heat treatment method as described above, volatile radionuclides such as radioactive cesium (Cs) or strontium (Sr), which are problems in conventional incineration and vitrification treatments, are volatilized The problem of the emission of exhaust gas containing SO 2 and SO 3 at a high concentration (several thousand ppm or more) generated when the ion exchanger is separated, and the problem of generation of CO 2 , which is a global warming gas, And at the same time, the radionuclide is volatilized and separated and recovered through the immobilization treatment, thereby achieving the maximum suppression effect.

도 1은 본 발명에 따른 방사능 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 처리하는 공정을 모식적으로 나타낸 공정도이고,
도 2는 폐이온 교환수지 내 술폰산기(SO3H+) 및 Cs 및 Sr 방사성 핵종을 포함하는 기능기인의 분리가 일어나는 것을 나타낸 모식도이고,
도 3은 Cs-O-S계에서 온도 및 산소 분압에 따라 형성될 수 있는 화합물의 형태를 나타낸 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예 1의 단계 4에 따른, Cs2SO4의 염화물 전환이 이뤄지기 위한 온도 및 열역학적 평형농도를 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명의 실시예 1의 단계 4에 따른, SrSO4의 염화물 전환이 이뤄지기 위한 온도 및 열역학적 평형농도를 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실시예 1의 단계 4에 따른, BaSO4의 염화물 전환이 이뤄지기 위한 온도 및 열역학적 평형농도를 나타낸 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process diagram schematically showing a process for treating a waste ion exchange resin containing a radionuclide according to the present invention,
FIG. 2 is a schematic diagram showing separation of a sulfonic acid group (SO 3 H + ) in the spent ion exchange resin and a functional group including Cs and Sr radionuclides,
3 is a graph showing a form of a compound which can be formed according to temperature and oxygen partial pressure in a Cs-OS system,
4 is a graph showing a temperature and a thermodynamic equilibrium concentration for achieving chloride conversion of Cs 2 SO 4 according to step 4 of Example 1 of the present invention,
5 is a graph showing the temperature and the thermodynamic equilibrium concentration for the conversion of SrSO 4 to chloride according to Step 4 of Example 1 of the present invention,
6 is a graph showing the temperature and the thermodynamic equilibrium concentration for achieving chloride conversion of BaSO 4 according to step 4 of Example 1 of the present invention.

본 발명은,According to the present invention,

방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 건조하는 단계(단계 1); Drying the spent ion exchange resin comprising the radionuclide (step 1);

상기 건조된 폐이온 교환수지 내 방사성 핵종을 포함하는 이온교환기를 분리하는 단계(단계 2);Separating the ion exchanger containing radionuclides in the dried waste ion exchange resin (step 2);

상기 분리된 이온교환기로부터 생성되는 휘발성의 방사성 핵종을 포함하는 화합물을 비휘발성의 방사성 핵종을 포함하는 황산화물로 전환하는 단계(단계 3);Converting the compound comprising volatile radionuclides produced from the separated ion exchanger into a sulfur oxides containing a non-volatile radionuclide (step 3);

상기 방사성 핵종을 포함하는 황산화물을 방사성 핵종을 포함하는 염화물로 전환하는 단계(단계 4); 및 Converting the sulfuric acid containing the radionuclide into a chloride containing a radionuclide (step 4); And

상기 방사성 핵종을 포함하는 염화물로부터 방사성 핵종을 휘발 및 응축하여 분리 및 회수하는 단계(단계 5);Separating and recovering the radionuclide from the chloride containing the radionuclide by volatilization and condensation (step 5);

를 포함하는 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리방법을 제공한다.And a radioactive nuclide containing the radioactive nuclide.

이하, 본 발명에 따른 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the method for treating a waste ion exchange resin containing a radionuclide according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리방법에 있어, 단계 1은 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 건조하는 단계이다.In the method for treating a waste ion exchange resin containing a radionuclide according to the present invention, step 1 is a step of drying a waste ion exchange resin containing a radionuclide.

이는, 가열할 경우, 폐이온 교환수지 H2O 및 CO2가 가스화하여 제거하기 위한 단계로, 상기 폐이온 교환수지에 함유되어 있는 용해 고체 및 부유 고체를 농축시킬 수도 있다. This is a step for gasifying and removing waste ion exchange resins H 2 O and CO 2 when heated so that dissolved solids and suspended solids contained in the waste ion exchange resin may be concentrated.

상기 폐이온 교환수지는 원자력산업을 포함한 다양한 수처리 공정에서 분리 및 정화의 목적으로 이온교환수지가 오랜 시간 사용되어 발생된 것일 수 있다. 즉, 상기 폐이온 교환수지는 순수한 물, 고순도 물의 제조, 폐수처리, 가치가 높은 물질의 회수, 의약, 식품의 정제 등 다양한 분야에서 사용된 이온교환수지일 수 있으며, 특히 원자력 발전소에서 노수정화 분야에 방사성 핵종을 포함하는 폐수를 정제하기 위해 사용되어 생성된, 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지일 수 있다.The waste ion exchange resin may be generated by using ion exchange resin for a long time for the purpose of separation and purification in various water treatment processes including the nuclear industry. That is, the waste ion exchange resin may be an ion exchange resin used in various fields such as production of pure water, high purity water, treatment of wastewater, recovery of valuable materials, medicines, food refining, Or a waste ion exchange resin containing a radionuclide, which is used to purify wastewater containing a radionuclide.

상기 폐이온 교환수지는 이온교환수지가 고분자 기체에 화학적으로 결합되어 이온화할 수 있는 관용기(functional group)를 포함하고 있어, 상기 관용기에 포함되어 있는 이온과 폐액 내 방사성 핵종을 서로 치환함으로써 생성된 폐이온 교환수지일 수 있다. 예를 들어, 상기 이온교환수지는 스티렌 디비닐벤젠 공중합체 기체에 술폰산기(SO3H+)를 포함하는 기능기(functional group)가 포함될 수 있으며, 상기 이온교환수지 내 양이온과 폐액 내 방사성 핵종이 서로 치환되어 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지가 형성될 수 있다. The waste ion exchange resin includes a functional group in which an ion exchange resin is chemically bonded to a polymer gas to ionize the ion exchange resin. The waste ion exchange resin includes a functional group formed by substituting the ion included in the tolerable group and the radionuclide in the waste solution It may be a waste ion exchange resin. For example, the ion exchange resin may include a functional group containing a sulfonic acid group (SO 3 H +) in a styrene divinylbenzene copolymer gas, and a cation in the ion exchange resin and a radioactive nuclear species A waste ion exchange resin containing radioactive nuclides may be formed by substitution with each other.

예를 들어, 상기 이온교환수지는 원자력 폐수 중의 Cs를 포함하는 방사성 핵종을 제거하기 위해 수소이온과 같은 양이온을 포함할 수 있으며, 이때 주위 용액으로부터 2+의 하전을 띄는 한 개의 Cs 이온이 존재한다면, 이것은 +1의 전하를 띤 수소이온 두 개와 치환되어 폐이온 교환수지가 될 수도 있다. For example, the ion exchange resin may contain a cation such as a hydrogen ion to remove a radionuclide containing Cs in the nuclear wastewater, wherein if there is one Cs ion bearing a charge of 2+ from the surrounding solution , Which can be substituted with two hydrogen ions charged to +1 and become a waste ion exchange resin.

이때. 상기 폐이온 교환수지를 건조하는 단계는, 상기 폐이온 교환수지 내 포함되어 있는 수분을 제거하는 단계로, 100 내지 150 ℃ 온도범위에서 수행될 수 있다. 이때, 상기 단계 1의 폐이온 교환수지의 건조를 수행하기 위한 온도가 100 ℃ 미만인 경우, 수분의 기화가 이루어 지지 않으며, 또한, 상기 온도가 150 ℃를 초과하는 경우, 이온교환기의 분리가 일어나, 수분뿐만 아닌 SO2를 포함하는 가스가 동시에 배출되는 문제가 발생될 수도 있다. At this time. The step of drying the waste ion exchange resin is a step of removing moisture contained in the waste ion exchange resin, and may be performed at a temperature range of 100 to 150 ° C. At this time, when the temperature for performing the drying of the waste ion exchange resin in step 1 is less than 100 ° C, vaporization of moisture is not performed, and when the temperature exceeds 150 ° C, separation of the ion exchanger occurs, There is a possibility that the gas containing SO 2 as well as moisture may be discharged at the same time.

본 발명에 따른 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리방법에 있어서, 단계 2는 상기 건조된 폐이온 교환수지 내 방사성 핵종을 포함하는 이온교환기를 분리하는 단계이다. In the method of treating a waste ion exchange resin comprising a radionuclide according to the present invention, step 2 is a step of separating an ion exchanger containing a radionuclide in the dried waste ion exchange resin.

이는, 상기 이온교환기의 분리는 폐이온 교환수지로부터 방사성 핵종을 분리하기 위한 것으로, 상기 단계 2에서 분리된 방사성 핵종은 휘발성의 산화물 또는 수산화물 형태로 잔류될 수 있다.This is because the separation of the ion exchanger is for separating the radionuclide from the spent ion exchange resin, and the radionuclide separated in step 2 may remain in volatile oxide or hydroxide form.

이하, 본 발명에 따른 단계 2의 이온교환기를 분리하는 과정을 도 2를 통해 상세히 나타내었다.Hereinafter, the process of separating the ion exchanger of step 2 according to the present invention is described in detail with reference to FIG.

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 방사성 핵종이 포함되어 있는 폐이온 교환수지에는, 스티렌 디비닐벤젠 중합체와, 슬폰산기(SO3H+) 및 방사성 핵종 양이온(M+)을 포함하는 기능기(functional group)(SO3M+)를 포함할 수 있으며, 이때, 상기 이온교환기는 술폰산기(SO3H+) 또는 방사성 핵종 양이온(M+)을 포함하는 기능기(functional group)인 SO3M+일 수 있다. As shown in FIG. 2, the waste ion exchange resin containing the radioactive nucleus includes a styrene divinylbenzene polymer and a functional group containing a sulfonic acid group (SO 3 H + ) and a radionuclide cation (M + ). group) (may include an SO 3 M +), in this case, the ion exchange group is a sulfonic acid group (SO 3 H +) or a radionuclide cation (functional group (functional group) is SO 3 M + days, including M +) .

상기 폐이온 교환수지 내 이온교환기는 상기 단계 2를 통해 분리되며, 분리 후, 스티렌 디비닐벤젠 공중합체, 방사능 핵종을 포함하는 산화물 및 아황산가스(SO2)를 포함하는 가스가 발생될 수 있다.The ion exchanger in the waste ion exchange resin is separated through the step 2, and after separation, a gas including a styrene divinylbenzene copolymer, an oxide including a radioactive nuclide, and a sulfurous acid gas (SO 2 ) may be generated.

이때, 상기 단계 2의 이온교환기 분리는 150 내지 400 ℃ 온도범위에서 수행될 수 있다.At this time, the separation of the ion exchanger of step 2 can be performed at a temperature range of 150 to 400 ° C.

상기 단계 2의 이온교환기의 분리를 수행하기 위한 온도가 150 ℃ 미만인 경우, 폐이온 교환수지 내 이온교환기의 분리가 적절히 이뤄지지 않는 문제가 발생할 수도 있다. 또한, 단계 2의 이온교환기의 분리를 수행하기 위한 온도가 400 ℃를 초과하는 경우, 아황산가스(SO2) 발생 속도가 빨라 반응기 내 체류시간이 짧아지므로, 상기 아황산가스(SO2)와 방사성 핵종과의 접촉이 원활히 이루어 지지 않아 반응하지 않은 방사성 핵종 및 SO2 가스가 발생될 수도 있는 문제가 발생할 수도 있다. If the temperature for carrying out the separation of the ion exchanger in step 2 is less than 150 ° C, there may arise a problem that the separation of the ion exchanger in the spent ion exchange resin is not appropriately performed. Further, if the temperature for performing the removal of the ion exchanger in step 2 exceeds 400 ℃, sulfur dioxide (SO 2) The generation speed increases because the shorter the residence time in the reactor, the sulfur dioxide (SO 2) and can cause also a problem which is the radionuclide, and SO 2 gas contacts the unreacted do not smoothly performed occurrence of the radionuclide.

한편, 이때 상기 발생되는 아황산가스(SO2)를 반응기 내에 충분히 잔류시키면서 폐이온 교환수지 내 방사성 핵종 성분과 반응하여 방사성 핵종을 포함하는 황산화물로 전환시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 단계 2에서는 유기성분의 분해는 일어나지 않고 방사성 핵종과의 반응하지 않은 적은 부피의 아황산가스(SO2)만 배출되므로 종래의 폐이온 교환수지의 소각 또는 유리화 공정과는 다르게 SO2 및 SO3 포함된 대용량의 배기가스의 발생이 없을 수 있어, 대용량의 배기가스 처리장치가 필요하지 않을 수 있다. At this time, the sulfur dioxide gas (SO 2 ) generated is sufficiently retained in the reactor, and reacted with the radionuclide component in the waste ion exchange resin to convert it into sulfuric acid containing a radionuclide. Further, in step 2, since decomposition of the organic component does not occur and only a small amount of sulfur dioxide (SO 2 ) which is not reacted with the radionuclide is discharged, unlike the conventional incineration or vitrification process of waste ion exchange resin, SO 2 and SO 3 There is no possibility of generating a large amount of exhaust gas contained therein, so that a large-capacity exhaust gas processing apparatus may not be required.

또한, 아황산가스(SO2)가 기체 상에 미량이라도 존재할 경우, 방사성 핵종은 황산화물로 전환될 수 있으므로, 상기 단계 2에서 발생된 아황산가스(SO2)를 외부로 배출시키지 않고 잔류시킴으로써, 휘발성 방사성 핵종을 비휘발성의 방사성 핵종을 포함하는 황산화물로 전환시킬 수도 있다. Further, when a sulfur dioxide gas (SO 2 ) exists in a slight amount on the gas phase, the radionuclide can be converted into sulfur oxides. Therefore, by leaving the sulfur dioxide (SO 2 ) generated in the step 2 without releasing it to the outside, Radionuclides may also be converted to sulfur oxides containing non-volatile radionuclides.

이에 대한 예로, 도 3을 통해, Cs-O-S계에서 온도 및 산소 분압에 따라 형성될 수 있는 화합물의 형태를 나타내었다. 이는 방사능 핵종을 포함하는 산화물 중 CsO4는 아황산가스(SO2)가 존재하는 분위기 내에서의 화합물 형태를 나타낸 것으로, 도 3에서 나타낸 바와 같이, 방사성 세슘(Cs)의 경우, 온도나 산소(O2)의 분압에 관계없이 기체 상에 아황산가스(SO2)의 분압이 10-15 atm 이상일 경우, 비휘발성의 황산화물 형태인 Cs2SO4로 전환될 수 있음을 알 수 있다.As an example of this, FIG. 3 shows the form of a compound which can be formed according to temperature and oxygen partial pressure in the Cs-OS system. This is the case of such as shown for the compounds in the form of in the atmosphere within the oxide of CsO 4 is present is sulfur dioxide (SO 2) containing the radioactive nuclides, as shown in FIG. 3, radioactive cesium (Cs), the temperature or oxygen (O 2 can be converted to non-volatile sulfuric acid form Cs 2 SO 4 when the partial pressure of sulfur dioxide (SO 2 ) on the gas is at least 10 -15 atm.

본 발명에 따른 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리방법에 있어서, 단계 3은 상기 분리된 이온교환기로부터 생성되는 휘발성의 방사성 핵종을 포함하는 화합물을 비휘발성의 방사성 핵종을 포함하는 황산화물로 전환하는 단계이다.In the method for treating a waste ion exchange resin comprising a radionuclide according to the present invention, step 3 is a step of converting a compound containing a volatile radionuclide generated from the separated ion exchanger into a sulfur oxide containing a non-volatile radionuclide .

이때, 상기 단계 3에서의 황산화물로의 전환은 400 내지 550 ℃ 온도범위에서 수행될 수 있다.At this time, the conversion to the sulfuric acid in the step 3 may be performed at a temperature range of 400 to 550 ° C.

상기 단계 3의 황산물로의 전환이 수행하기 위한 온도가 400 ℃ 미만인 경우, 방사성 핵종을 포함하는 화합물의 황산화물로의 전환이 느려, 상기 방사성 핵종들이 완전히 황산화물로 전환되지 않을 수 있는 문제가 발생할 수도 있다. 또한, 상기 단계 3의 황산물로의 전환을 수행하기 위한 온도가 550 ℃를 초과하는 경우, 방사성 핵종을 포함하는 화합물이 황산화물로 전환되기 전에 가스화하여 배출될 수 있는 문제가 발생할 수도 있다. If the temperature for the conversion of the step 3 to the sulfuric acid is less than 400 ° C, the conversion of the compound containing the radionuclide to the sulfuric acid is so slow that the radionuclides may not be completely converted to the sulfuric acid . If the temperature for carrying out the conversion to the sulfuric acid in step 3 exceeds 550 ° C, there may arise a problem that the compound containing the radionuclide can be gasified and discharged before being converted to the sulfur oxide.

예를 들어, 세슘의 경우, 550 ℃를 초과하는 경우, Cs2O, CsOH 및 Cs2O2H2 등의 형태 로가스화하여 배출될 수도 있다. For example, in the case of cesium, when it exceeds 550 ° C, Cs 2 O, CsOH and Cs 2 O 2 H 2 Gasification and so on.

이때 상기 폐이온 교환수지 내 치환된 방사성 핵종은 Cs, Sr, Mn, Fe, Ba, Ni 및 Co를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 상기 전환된 방사성 핵종을 포함하는 황산화물은 Cs2SO4 , SrSO4 , BaSO4 , NiSO4 , FeSO4 , MnSO4 CoSO4를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 이때, 상기 방사성 핵종을 포함하는 황산화물은 비휘발성으로, 700 ℃ 이하의 온도에서는 방사성 핵종을 가스화하지 않게된다.The substituted radionuclides in the spent ion exchange resin may be at least one selected from the group consisting of Cs, Sr, Mn, Fe, Ba, Ni and Co, 2 SO 4, SrSO 4, BaSO 4, NiSO 4, FeSO 4, MnSO 4 , and CoSO 4, and the like. At this time, the sulfur oxides containing the radionuclides are nonvolatile, and the radionuclides are not gasified at a temperature of 700 ° C or lower.

한편, 상기 단계 2의 이온교환기가 분리된 폐이온 교환수지로부터 발생되는 잔류 유기물을 탄화물로 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 잔류 유기물의 탄화는 550 내지 700 ℃에서 더욱 잘 진행될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다. In addition, the step (2) may further comprise the step of forming residual organic matter generated from the spent waste ion exchange resin into a carbide. At this time, the carbonization of the residual organic material can proceed more satisfactorily at 550 to 700 ° C, but is not limited thereto.

이때, 상기 잔류 유기성분에는 탄소, 산소, 수소 및 질소 성분이 포함될 수 있으며, 상기 550 내지 700 ℃의 온도 범위에서 산소, 수소 및 질소를 포함하는 잔류유기 성분은 기화될 수 있고, 잔류 탄소성분은 탄화물로 형성될 수도 있다. The residual organic component may include carbon, oxygen, hydrogen, and nitrogen components. The residual organic component including oxygen, hydrogen, and nitrogen may be vaporized in the temperature range of 550 to 700 ° C, It may be formed of a carbide.

상기 단계 3 및 탄화물을 형성하는 단계를 통해, 휘발성인 방사성 핵종을 포함하는 화합물은 비휘발성의 방사성 핵종을 포함하는 황산화물로 전환될 수 있고, 디비닐 벤젠 공중합체와 같은 폐이온 교환수지 기체에 포함된 잔류 유기성분 내 미량의 수소, 질소 및 산소 성분은 가스화 될 수 있으며, 탄소성분은 탄화될 수 있다. 이때, 상기 가스화되는 성분 내에는 방사성 핵종 및 아황산가스(SO2)를 포함하지 않아, 종래의 휘발로 방사성 핵종이 배기가스 공정 내 침적되는 문제 및 배기가스와 함께 대기로의 배출되는 문제, 및 아황산가스(SO2)가 포함된 배기가스 발생문제를 배제시킬 수 있다. Through the step 3 and the step of forming a carbide, the compound containing the volatile radionuclide can be converted into the sulfur oxide containing the non-volatile radionuclide, and the volatile radionuclide can be converted into the sulfur oxide containing the volatile radionuclide, Traces of hydrogen, nitrogen and oxygen components in the residual organic components involved can be gasified and the carbon component can be carbonized. At this time, since the radionuclide and the sulfur dioxide (SO 2 ) are not contained in the gasified component, problems of deposition in the exhaust gas process by the conventional volatilization and discharge into the atmosphere together with the exhaust gas, It is possible to eliminate the problem of generating exhaust gas containing gas (SO 2 ).

본 발명에 따른 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리방법에 있어서, 단계 4는 상기 방사성 핵종을 포함하는 황산화물을 방사성 핵종을 포함하는 염화물로 전환하는 단계이다.  In the method for treating a waste ion exchange resin comprising a radionuclide according to the present invention, step 4 is a step of converting the sulfuric acid containing the radionuclide into a chloride containing a radionuclide.

이때, 방사성 핵종을 포함하는 염화물로의 전환은 800 내지 900 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. At this time, the conversion to the chloride containing radionuclides is preferably performed at 800 to 900 ° C.

상기 단계 4의 염화물로의 전환이 수행하기 위한 온도가 800 ℃ 미만인 경우, 염화물 화의 속도가 느려지는 문제가 발생할 수도 있다. 또한, 단계 4의 염화물로의 전환이 수행하기 위한 온도가 900 ℃를 초과하는 경우, 염화물화 장치의 부식 문제가 발생할 수도 있다. If the temperature for carrying out the conversion of the step 4 to the chloride is lower than 800 ° C, there may arise a problem that the rate of chlorination is slowed down. Also, if the temperature for carrying out the conversion to the chloride of step 4 exceeds 900 DEG C, corrosion problems of the chlorination apparatus may occur.

상기 방사성 핵종을 포함하는 황산화물은 고온에서 안정한 물질이지만, 염소가스가 존재할 경우, 염소가스와 반응하여 염화물로 전환될 수 있다.The sulfur oxides containing the radionuclides are stable at high temperatures, but in the presence of chlorine gas, they can react with chlorine gas to convert them into chlorides.

이에 대한 예로, 도 4 내지 도 6은 산소가스(O2)와 염소가스(Cl2)가 불활성 가스인 질소(N2)나 알곤(Ar) 내에 각각 약 100 ppm씩 존재하게 하고, 미량의 Cs2SO4, SrSO4 및 BaSO4를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 각 1 ppm씩 혼합할 경우, 형성될 수 있는 화합물의 형태를 나타낸 그래프이다.For example, FIGS. 4 to 6 show that oxygen gas (O 2 ) and chlorine gas (Cl 2 ) exist in nitrogen (N 2 ) or argon (Ar) 2 SO 4 , SrSO 4, and BaSO 4 in an amount of 1 ppm by weight, respectively.

도 4 내지 도 6에서 나타나 있는 바와 같이, 산소가스(O2)와 염소가스(Cl2)가 불활성 가스인 질소(N2)나 알곤(Ar) 내에 각각 약 100 ppm씩 존재하게 하고, 미량의 Cs2SO4, SrSO4 및 BaSO4 가 각 1 ppm 씩 혼합할 경우, 약 800 ℃ 이상의 온도에서 방사성 핵종을 포함하는 황산화물은 염화물로 전환될 수도 있음을 알 수 있다.As shown in FIGS. 4 to 6, oxygen gas (O 2 ) and chlorine gas (Cl 2 ) are present in an amount of about 100 ppm each in an inert gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar) Cs 2 SO 4 , SrSO 4 and BaSO 4 Are mixed at 1 ppm each, sulfur oxides containing radionuclides can be converted to chlorides at a temperature of about 800 ° C or higher.

한편, 이때, 단계 4에서 탄소성분은 염소가스(Cl2)에 의해 염화되거나 가스화하지 않는다. 이를 통해, 하기 단계 5의 1400 ℃ 이상의 고온 열처리에서 탄소성분은 휘발되지 않고 탄화물 형태로 존재할 수 있다.On the other hand, at this time, in step 4, the carbon component is not chlorinated or gasified by the chlorine gas (Cl 2 ). Accordingly, the carbon component in the high-temperature heat treatment at 1400 ° C. or more in the following step 5 can exist in the carbide form without being volatilized.

본 발명에 따른 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리방법에 있어서, 단계 5는 상기 방사성 핵종을 포함하는 염화물로부터 방사성 핵종을 휘발 및 응축하여 분리 및 회수하는 단계이다.In the method for treating a waste ion exchange resin containing a radionuclide according to the present invention, step 5 is a step of separating and recovering the radionuclide from the chloride containing the radionuclide by volatilization and condensation.

상기 단계 5를 통해, 방사성 핵종은 휘발 후 응축하여 고정화 처리할 수 있고, 탄소성분은 탄화물로 분리해냄으로써, 방사성 핵종의 폐기시 최대한의 감용 효과를 얻을 수 있는 동시에 이산화탄소의 발생을 최소로 줄여, 폐이온 교환수지를 친환경적이면서 효율적으로 처리할 수 있다.In the step 5, the radionuclide can be condensed and volatilized after being volatilized, and the carbon component is separated into carbide. Thus, the radioactive nuclide can be maximally depressed when the radionuclide is discarded, and the generation of carbon dioxide can be minimized, The waste ion exchange resin can be treated in an environmentally friendly and efficient manner.

이때, 단계 5의 방사성 핵종의 휘발은 약 1 Torr 이하의 감압조건에서 1400 내지 1500 ℃에서 수행될 수도 있다. 이는 염화물화된 방사성 핵종을 휘발 분리시키기 위한 것으로, 상기 단계 5의 방사성 핵종을 휘발하기 위한 온도가 1400 ℃ 미만인 경우, 방사성 핵종 염화물의 휘발이 빠르게 이뤄지지 않아 처리시간이 길어진다는 문제를 발생할 수 있으며, 상기 온도가 1500 ℃를 초과하는 경우, 불필요한 에너지의 소모가 발생되는 문제가 발생할 수도 있다. At this time, the volatilization of the radionuclide in step 5 may be performed at 1400 to 1500 ° C under a reduced pressure of about 1 Torr or less. If the temperature for volatilizing the radionuclide in step 5 is less than 1400 ° C, the volatilization of the radionuclide chloride may not be performed rapidly and the treatment time may become longer, If the temperature exceeds 1500 DEG C, there may occur a problem that unnecessary energy is consumed.

한편, 상기 휘발 분리된 방사성 핵종은 이후 응축시켜 고정화처리 될 수 있으며, 탄화물의 경우, 단계 5에서 휘발되지 않으므로, 방사성 핵종이 휘발된 후 잔류하게 되어, 상기 잔류한 탄화물은 방사성 물질을 포함하지 않으므로, 재활용되거나, 일반 폐기물로 처리될 수 있다.On the other hand, the volatile separated radionuclides can be subsequently immobilized by being condensed. In the case of carbides, since the radionuclides are not volatilized in step 5, the radionuclides remain after being volatilized, and the residual carbides do not contain radioactive materials , Recycled, or treated as general waste.

본 발명은 또한,The present invention also relates to

방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 건조하기 위한 건조기(100);A dryer (100) for drying a waste ion exchange resin comprising a radionuclide;

상기 건조기로부터 배출되는 건조된 폐이온 교환수지를 단계적으로 열처리하기 위한 스크류 컨베이어 반응기(400);및A screw conveyor reactor 400 for stepwise heat-treating the dried waste ion exchange resin discharged from the dryer;

상기 스크류 컨베이어 반응기로부터 배출되는 반응물을 염화물로 변환시키는 무기물 염화반응기(600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리장치를 제공한다.And an inorganic chlorination reactor (600) for converting reactants discharged from the screw conveyor reactor into chlorides. The present invention also provides an apparatus for treating waste ion exchange resin comprising a radionuclide.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리장치를 상세히 설명한다.Hereinafter, a waste ion exchange resin treatment apparatus including a radionuclide of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1의 공정도를 통해 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리장치는 건조기(100), 스크류 컨베이어 반응기(Screw conveyor reactor)(400), 무기물 염화반응기(600) 및 습식세정탑(700)을 포함하고 있다. 1, a waste ion exchange resin treatment apparatus including a radionuclide according to the present invention includes a dryer 100, a screw conveyor reactor 400, an inorganic chloride reactor 600, And a wet cleaning tower 700.

본 발명에 따른 건조기(100)는, 폐이온 교환수지 내 수분을 제거하기 위한 장치로, 100 내지 150 ℃의 온도로 운행될 수 있다. The dryer 100 according to the present invention is an apparatus for removing moisture in waste ion exchange resin and can be operated at a temperature of 100 to 150 ° C.

한편, 상기 건조기에서의 폐이온 교환수지 건조시, 가스화하여 분리된 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)가스 이외에 삼중수소(H-3)와 방사성탄소(C-14)를 포함할 수 있으며, 이를 세정하여 배출하기 위한, 수분응축기(200) 및 이산화탄소(CO2) 흡수 회수장치(300)가 더 포함할 수도 있다. 이때, 건조기(100)로부터 가스화하여 분리되는 수증기 및 이산화탄소가 수분응축기(200) 및 이산화탄소(CO2) 흡수 회수장치(300)로 용이하게 배출될 수 있도록 하기 위해, 가스 통로에 불활성 기체인 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)가스를 공급할 수도 있다.On the other hand, when waste ion exchange resin in the dryer drying, the water vapor (H 2 O) separated by gasification with carbon dioxide (CO 2) gas in addition can include tritium (H-3) and radiocarbon (C-14) And may further include a water condenser 200 and a carbon dioxide (CO 2 ) absorption and recovery device 300 for cleaning and discharging the water condensed water. At this time, in order to easily discharge the water vapor and the carbon dioxide, which are separated from the dryer 100 by gasification, into the water condenser 200 and the carbon dioxide (CO 2 ) absorption and recovery apparatus 300, N 2 ) or argon (Ar) gas.

본 발명에 따른 스크류 컨베이어 반응기(400)는 상기 건조기(100)를 통과한 폐이온 교환수지를 단계적으로 열처리하는 장치로, 온도가 서로 다른 2개 이상의 영역으로 구분될 수 있다. 즉, 스크류 컨베이어 반응기(400)는 이온교환기 분리영역(401) 및 황산화물로의 전환영역(402)으로 구분되어 있을 수 있으며 또한, 탄화물 형성영역(403)을 더 포함할 수도 있다. The screw conveyor reactor 400 according to the present invention is a device for stepwise heat treating waste ion exchange resin that has passed through the dryer 100 and can be divided into two or more regions having different temperatures. That is, the screw conveyor reactor 400 may be divided into an ion exchanger separation area 401 and a sulfur oxide conversion area 402, and may further include a carbide formation area 403.

상기 스크류 컨베이어 반응기(400) 내 이온교환기 분리영역(401)은, 150 내지 400 ℃의 온도로 운행될 수 있으며, 상기 영역에서의 열처리는, 폐이온 교환수지 내 술폰산기(SO3H+) 및 SO3M+ 를 포함하는 이온교환기를 분리하기 위해 수행하는 열처리 영역으로, 이를 통해 술폰산기(SO3H+) 및 SO3M+ 를 포함하는 이온교환기가 분리되어 방사성 핵종을 포함하는 산화물 또는 수산화물을 형성하며, 또한, 아황산가스(SO2)를 발생시킬 수 있다.The ion exchanger separation region 401 in the screw conveyor reactor 400 can be operated at a temperature of 150 to 400 ° C. and the heat treatment in the region can be performed using a sulfonic acid group (SO 3 H + ) and a heat treatment zone for performing in order to remove the ion exchange group containing SO 3 M +, this sulfonic acid group (SO 3 H +) and SO 3 M + is the ion-exchange separation, including a radionuclide oxide or hydroxide containing over And SO 2 (SO 2 ) can be generated.

또한, 상기 스크류 컨베이어 반응기(400) 내 황산화물로의 전환영역(402)은, 상기 이온교환기 분리영역(401)과 연결되어있으면서, 400 내지 550 ℃의 온도로 운행될 수 있다. 상기 황산화물로의 전환영역(402)에서의 열처리는, 방사능 핵종을 포함하는 황산화물을 형성하기 위해 수행되는 열처리 영역으로, 이를 통해 상기 이온교환기 분리 영역에서 발생한 휘발성 방사능 핵종을 비휘발성으로 전환시키고, 아황산가스의 배출을 방지할 수 있다. The sulfur oxide conversion region 402 in the screw conveyor reactor 400 can be operated at a temperature of 400 to 550 ° C while being connected to the ion exchange group separation region 401. The heat treatment in the conversion region 402 into the sulfur oxides is a heat treatment region performed to form sulfur oxides including a radioactive nuclide to thereby convert the volatile radionuclides generated in the ion exchange cleavage region to nonvolatile , And the discharge of sulfur dioxide can be prevented.

한편, 상기 스크류 컨베이어 반응기(400)는 상기 황산화물로의 전환영역(402) 다음으로 탄화물 형성영역(403)을 더 포함할 수 있으며, 또한, 상기 탄화물 형성영역(403)은 550 내지 700 ℃의 온도로 운행될 수 있다. 상기 탄화물 형성영역(403)에서의 열처리는, 잔류 유기 성분 내 함유되어 있는 산소, 수소 및 질소 등이 배출되고 탄소성분을 탄화시키기 위해 수행되는 열처리 영역으로, 이를 통해 하기 방사능 핵종을 휘발하여 분리할 때, 탄소성분의 가스화를 방지할 수 있다. In addition, the screw conveyor reactor 400 may further include a carbide forming region 403 followed by the sulfur oxide conversion region 402, and the carbide forming region 403 may have a temperature of 550 to 700 ° C Temperature can be operated. The heat treatment in the carbide formation region 403 is a heat treatment region in which oxygen, hydrogen, nitrogen, and the like contained in the residual organic components are discharged and carbonized to carbonize, and the following radioactive nuclides are volatilized and separated , It is possible to prevent gasification of the carbon component.

상기 스크류 컨베이어반응기(400)는 또한, 반응기 외부에 히터를 포함하는 발열기를 더 포함할 수도 있다. 즉, 상기 스크류 컨베이어 반응기(400) 내에서 일어나는 대부분의 반응은 흡열 반응으로, 반응기 외부에 히터를 포함하는 발열기를 더 포함함으로써, 각 반응기 내부의 온도를 적절히 유지시킬 수도 있다. The screw conveyor reactor 400 may further include a heater including a heater outside the reactor. That is, most of the reactions occurring in the screw conveyor reactor 400 are endothermic reactions, and further include a heater including a heater outside the reactor, so that the temperature inside each reactor can be appropriately maintained.

본 발명에 따른 상기 무기물 염화반응기(600)는 상기 스크류 컨베이어반응기(400)를 통과한 반응물 중 황산화물을 방사능 핵종을 포함하는 염화물을 형성하기 위한 장치로, 상기 반응기 내에 염소가스 및 산소가스가 주입될 수 있으며, 800 내지 900 ℃의 온도로 운행될 수 있다. The inorganic chlorination reactor 600 according to the present invention is an apparatus for forming a chloride including a radioactive nuclide in a reactant passing through the screw conveyor reactor 400. In the reactor, chlorine gas and oxygen gas are injected And can be operated at a temperature of 800 to 900 ° C.

또한, 상기 무기물 염화반응기(600)를 통과하여 형성된 방사능 핵종을 포함하는 염화물은 이후 1400 내지 1500 ℃에서의 열처리를 통해 방사능 핵종을 휘발하여 분리 및 회수할 수 있다. 이때, 무기물 염화반응기로부터 습식세정탑(700)이 연결되어 있을 수 있으며, 상기 습식세정탑(700)은 무기물 염화반응기(600)를 통해 휘발되어 나온 방사성 핵종을 응축시킬 수 있으며, 상기 습식세정탑(700)을 통해 방사성 핵종이 농축된 세정 폐액을 건조후 고화시켜, 방사능 핵종을 분리 및 회수할 수도 있다.Further, the chloride containing the radioactive nuclide formed through the inorganic chlorination reactor 600 can be separated and recovered by volatilizing the radioactive nuclide through heat treatment at 1400 to 1500 ° C. At this time, the wet scrubber 700 may be connected to the inorganic chlorination reactor, and the wet scrubber 700 may condense radionuclides volatilized through the inorganic chlorination reactor 600, The washing waste liquid in which the radionuclide species is concentrated through the centrifugal separator 700 may be dried and solidified to separate and recover the radioactive nuclides.

이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples.

단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are illustrative of the present invention and the scope of the invention is not limited by the examples.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

단계 1: 스티렌 디비닐벤젠 공중합체 기체에 술폰산기(SO3H+)를 포함하는 이온교환수지 내 Cs 방사성 핵종이 치환되어 있는 폐이온 교환수지를 사용하였으며, 상기 폐이온 교환수지를 건조기(100)에 넣고 150 ℃의 온도에서 2시간 30분동안 건조하였다.Step 1: A waste ion exchange resin in which a Cs radionuclide in the ion exchange resin containing a sulfonic acid group (SO 3 H + ) was substituted for styrene divinylbenzene copolymer gas was used. ) And dried at a temperature of 150 ° C for 2 hours and 30 minutes.

단계 2: 상기 단계 1로부터 건조된 폐이온 교환수지를 스크류 컨베이어 반응기(400)의 이온교환기 분리영역(401)에 넣고 약 350 ℃로 가열하였으며, 투입구에서는 약 150 ℃, 출구에서 다음 고온 영역의 영향으로 400 ℃까지의 온도가 이 영역에서 유지되었다. 이때, 발생되는 아황산가스는 다음 황산화물로의 전환영역을 통해서 서서히 배출될 수 있도록 하였다.Step 2: The spent waste ion exchange resin dried in step 1 was placed in an ion-exchange separating zone 401 of a screw conveyor reactor 400 and heated to about 350 ° C. At about 150 ° C at the inlet, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 400 C &lt; / RTI &gt; was maintained in this region. At this time, the generated sulfur dioxide gas can be gradually discharged through the conversion region to the next sulfur oxide.

단계 3: 상기 단계 2로부터 얻은 반응물들을 스크류 컨베이어 반응기(400)내 황산화물로의 전환영역(402)에서 약 550 ℃의 온도에서 30분간 열처리를 진행하였다. Step 3: The reactants obtained from the step 2 were heat-treated at a temperature of about 550 ° C for 30 minutes in the conversion region 402 of sulfur oxides in the screw conveyor reactor 400.

단계 4: 상기 단계 3으로부터 얻은 반응물들을 스크류 컨베이어 반응기(400)내 탄화물 형성영역(403)에서 약 700 ℃의 온도에서 2시간 동안 열처리 된 후 배출되도록 진행하였다. Step 4: The reactants obtained from Step 3 were heat treated in a carbide forming region 403 in a screw conveyor reactor 400 at a temperature of about 700 캜 for 2 hours and then discharged.

단계 5: 상기 단계 4로부터 얻은 반응물들을 무기물 염화반응기(600)에 넣고 염소가스 100ppm, 산소가스 100ppm, 질소가스 1atm인 분위기에서 약 800 ℃ 온도에서 약 90분간 열처리를 진행하였다. Step 5: The reactants obtained in step 4 were placed in the inorganic chlorination reactor 600, and heat treatment was performed at a temperature of about 800 DEG C for about 90 minutes in an atmosphere of chlorine gas 100 ppm, oxygen gas 100 ppm, and nitrogen gas 1 atm.

단계 6: 상기 단계 5로부터 얻은 반응물들을 진공분위기에서 약 1400 ℃ 온도에서 열처리를 진행하였으며, 이를 통해 증기화된 방사성 핵종을 분리하여 습식 세정탑으로 보낸 후 응축시켰다. Step 6: The reactants obtained from step 5 were heat treated in a vacuum atmosphere at about 1400 ° C, and the vaporized radionuclides were separated and sent to a wet scrubber to be condensed.

100: 건조기
200: 수분응축회수장치
300: 이산화탄소 회수장치
400: 스크류 컨베이어 반응기
401: 이온교환기 분리영역
402: 황산화물로의 전환영역
403: 탄화물 형성영역
500: SO2 흡착/흡수기
600: 무기물 염화반응기
700: 습식세정탑
800: 헤파(high efficiency particulate air filter, HEPA) 필터시스템
100: dryer
200: Water condensation recovery device
300: Carbon dioxide recovery device
400: screw conveyor reactor
401: Ion exchanger separation area
402: conversion area to sulfur oxides
403: Carbide forming region
500: SO 2 adsorption / absorber
600: Inorganic Chlorination Reactor
700: Wet scrubber
800: high efficiency particulate air filter (HEPA) filter system

Claims (16)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지를 건조하기 위한 건조기;
상기 건조기로부터 배출되는 건조된 폐이온 교환수지를 단계적으로 열처리하기 위한 스크류 컨베이어 반응기;및
상기 스크류 컨베이어 반응기로부터 배출되는 반응물을 염화물로 변환시키는 무기물 염화반응기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리장치.
A dryer for drying a waste ion exchange resin comprising a radionuclide;
A screw conveyor reactor for stepwise heat-treating the dried waste ion exchange resin discharged from the dryer;
And an inorganic chlorination reactor for converting a reactant discharged from the screw conveyor reactor into a chloride.
제12항에 있어서, 상기 스크류 컨베이어 반응기는 이온교환기 분리영역 및 황산화물로의 전환영역으로 구분되는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리장치.
The apparatus for treating waste ion exchange resin according to claim 12, wherein the screw conveyor reactor is divided into an ion exchanger separation region and a sulfur oxide conversion region.
제13항에 있어서, 상기 스크류 컨베이어 반응기는 상기 황산화물로의 전환영역 다음으로 탄화물 형성영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리장치.
14. The apparatus of claim 13, wherein the screw conveyor reactor further comprises a carbide forming region followed by a conversion region to the sulfur oxides.
제12항에 있어서, 상기 스크류 컨베이어 반응기 외부에 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리장치.
13. The apparatus for treating waste ion exchange resin according to claim 12, wherein the waste ion exchange resin further comprises a heater outside the screw conveyor reactor.
제12항에 있어서, 상기 폐이온 교환수지 처리장치는, 수분 응축기, 이산화탄소 흡수 회수장치 및 습식세정탑을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 핵종을 포함하는 폐이온 교환수지 처리장치.
13. The waste ion exchange resin treating apparatus according to claim 12, further comprising at least one member selected from the group consisting of a water condenser, a carbon dioxide absorption recovery apparatus, and a wet cleaning tower. Ion exchange resin treatment apparatus.
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